Номер 10, страница 49 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 5. Химическая связь. Виды химической связи. Глава 2. Строение вещества. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - номер 10, страница 49.

Условие.

10. Примените электронную теорию для объяснения электронного строения и возможностей взаимодействия атомов углерода и хлора.

Решение.

Решение 2.

Для объяснения электронного строения и возможностей взаимодействия атомов углерода и хлора воспользуемся электронной теорией строения атома.

Электронное строение атома углерода (C)

Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6 в периодической системе. Его ядро содержит 6 протонов, а электронная оболочка — 6 электронов.

Электронная конфигурация атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии: $1s^2 2s^2 2p^2$.

Внешний (валентный) энергетический уровень — второй ($n=2$), на нем находятся 4 электрона. Графически валентные электроны можно представить так: на $2s$-подуровне находится одна пара спаренных электронов, а на $2p$-подуровне — два неспаренных электрона на двух разных орбиталях. Это означает, что в основном состоянии атом углерода может образовать две ковалентные связи, то есть его валентность равна II.

Однако для углерода характерна валентность IV. Это объясняется переходом атома в возбужденное состояние при получении небольшой энергии. Один электрон с $2s$-орбитали переходит на свободную $2p$-орбиталь. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода: $1s^2 2s^1 2p^3$. В этом состоянии у атома углерода четыре неспаренных электрона, что позволяет ему образовывать четыре ковалентные связи.

Для образования четырех равноценных связей (например, в молекуле метана $CH_4$ или тетрахлорметана $CCl_4$) происходит процесс гибридизации. Одна $s$-орбиталь и три $p$-орбитали валентного уровня смешиваются, образуя четыре одинаковые по форме и энергии $sp^3$-гибридные орбитали. Эти орбитали направлены к вершинам тетраэдра, угол между ними составляет $109.5^\circ$.

Ответ: Атом углерода имеет 4 валентных электрона. В возбужденном состоянии ($1s^2 2s^1 2p^3$) он способен образовывать четыре ковалентные связи за счет четырех неспаренных электронов. Для образования равноценных связей его валентные орбитали подвергаются $sp^3$-гибридизации, что приводит к тетраэдрическому расположению связей.

Электронное строение атома хлора (Cl)

Атом хлора (Cl) имеет порядковый номер 17. Его ядро содержит 17 протонов, а электронная оболочка — 17 электронов.

Электронная конфигурация атома хлора: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.

Внешний (валентный) энергетический уровень — третий ($n=3$), на нем находятся 7 электронов. До завершения этого уровня до стабильной восьмиэлектронной конфигурации (октета) атому хлора не хватает одного электрона.

На $3p$-подуровне находится один неспаренный электрон. Это определяет его основную валентность, равную I. Хлор является типичным неметаллом с высокой электроотрицательностью, поэтому он активно стремится либо принять один электрон, превращаясь в ион $Cl^-$, либо образовать одну ковалентную связь, обобществив свой неспаренный электрон с электроном другого атома.

Ответ: Атом хлора имеет 7 валентных электронов. Для достижения стабильного октета ему не хватает одного электрона. Он имеет один неспаренный электрон, что позволяет ему образовывать одну ковалентную связь, проявляя валентность I.

Возможности взаимодействия атомов углерода и хлора

Исходя из электронного строения, атом углерода стремится образовать четыре связи, а атом хлора — одну. Таким образом, один атом углерода может провзаимодействовать с четырьмя атомами хлора, образуя молекулу тетрахлорметана (четыреххлористого углерода) с формулой $CCl_4$.

Образование химических связей в этой молекуле происходит следующим образом:

1. Атом углерода переходит в возбужденное состояние ($2s^1 2p^3$) и образует четыре $sp^3$-гибридные орбитали, на каждой из которых находится по одному неспаренному электрону.
2. Каждая из четырех $sp^3$-гибридных орбиталей атома углерода перекрывается с $3p$-орбиталью одного из четырех атомов хлора, на которой также находится неспаренный электрон.
3. В результате образуются четыре одинарные ковалентные связи C-Cl.

Связь C-Cl является ковалентной полярной. Это связано с разницей в электроотрицательности: хлор (ЭО ≈ 3.16) значительно более электроотрицателен, чем углерод (ЭО ≈ 2.55). Поэтому общая электронная пара в каждой связи смещена в сторону атома хлора. На атомах хлора возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атоме углерода — частичный положительный заряд ($\delta+$).

Молекула $CCl_4$ имеет форму тетраэдра. Несмотря на то, что каждая связь C-Cl полярна, молекула в целом является неполярной. Это объясняется симметричным пространственным строением: дипольные моменты четырех связей направлены от центра к вершинам тетраэдра и взаимно компенсируют друг друга.

Ответ: Один атом углерода взаимодействует с четырьмя атомами хлора, образуя молекулу $CCl_4$. Между атомами образуются четыре ковалентные полярные связи C-Cl за счет перекрывания $sp^3$-гибридных орбиталей углерода и $3p$-орбиталей хлора. Молекула имеет тетраэдрическое строение и является неполярной из-за симметричной компенсации дипольных моментов связей.